(57)【要約】【課題】  水平軸風車のブレードにおいて、輸送性を大幅に向上させると同時に、ブレードに作用する変動荷重を大幅に軽減する。【解決手段】  水平軸風車のブレード１０であって、長さ方向略中央部において翼根側の内翼部１３と翼端側の外翼部１４とに分割される分割構造を有するとともに、フラッピング方向Ｆ1、Ｆ2に撓み易い連結部材１５により内翼部１３と外翼部１４とが連結される。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
長さ方向略中央部において翼根側の内翼部と翼端側の外翼部とに分割される分割構造を有するとともに、可撓性を有する連結部材により前記内翼部と前記外翼部とが連結されることを特徴とする水平軸風車のブレード。
【請求項２】
前記連結部材は、
ブレードの翼弦方向の寸法よりも厚さ方向の寸法が短い矩形状断面を有する薄板状体とされ、ブレードの長さ方向及び翼弦方向に延在するように配置されることを特徴とする請求項１に記載の水平軸風車のブレード。
【請求項３】
前記連結部材は、
炭素繊維強化樹脂又はガラス繊維強化樹脂で構成されることを特徴とする請求項１又は２に記載の水平軸風車のブレード。
【請求項４】
前記内翼部と前記外翼部との連結部を外側から被覆する被覆部材が設けられることを特徴とする請求項１から３の何れか一項に記載の水平軸風車のブレード。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水平軸風車のブレードに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、水平軸風車を用いた風力発電システムが実用化されている。かかる風力発電システムの発電量（定格出力）は、水平軸風車のロータ半径（ブレード長）に比例する。例えば、図３に示すように、長さ「２０ｍ」のブレードを有する水平軸風車は「５００ｋＷ」級の定格出力を有するのに対し、長さ「４０ｍ」のブレードを有する水平軸風車は「２０００ｋＷ」級の定格出力を有することとなり、大きな電力需要に応え得る。このため、現在においては水平軸風車の大型化が進められている。
【０００３】
ところで、従来の水平軸風車のブレードは、翼根側から翼端側まで一体的に成形された長尺の外皮と、この外皮の内部に配置される主桁と、から構成されるのが一般的である。このブレードは、工場で製作された後に所望の設置場所に輸送され、その設置場所でタワーに取り付けられることとなる。
【０００４】
しかし、大型の水平軸風車を製造するために長大なブレードを製作すると、所望の設置場所にブレードを輸送することが困難ないし不可能となる。このような問題を解決するために、近年においては、長大なブレードを長さ方向に分割して輸送し、ボルトや積層板等を用いて、分割されたブレードを設置場所で連結する技術が種々提案されている（例えば、非特許文献１参照。）。
【０００５】
また、水平軸風車が大型となると、風向・風速の経時的な変動のほか、風の乱れやタワーの影響等による風向・風速の空間的な変動に起因して、ブレードに大きな変動荷重が作用する。かかる変動荷重は、ブレード自体や風車全体に大きな負荷を与えるとともに振動発生の要因となるため、近年においては、このような変動荷重を軽減するために、ブレードの翼根部近傍の回転軸を中心としたフラッピング運動を可能にする技術が採用されている（例えば、非特許文献２参照。）。
【非特許文献１】Dutton etal.、“Design Concepts For Sectional Wind Turbine Blades”、1999 European Wind Energy Conference、フランス国、１９９９年３月、p.２８５−２８８
【非特許文献２】Boersma、“Lagerwey Windturbine B.V.”、第２０回記念国際風力エネルギー利用シンポジウム、平成１０年、p.２９−４１
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、長大なブレードの輸送性を向上させる目的で非特許文献１に記載の技術を採用しても、ブレードに作用する変動荷重を軽減することはできなかった。また、大型の水平軸風車のブレードに作用する変動荷重を軽減する目的で非特許文献２等に記載の技術を採用しても、ブレードが長大となった場合における輸送性の問題は解決されていなかった。
【０００７】
本発明の課題は、水平軸風車のブレードにおいて、輸送性を大幅に向上させると同時に、ブレードに作用する変動荷重を大幅に軽減することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
以上の課題を解決するために、請求項１に記載の発明は、水平軸風車のブレードであって、長さ方向略中央部において翼根側の内翼部と翼端側の外翼部とに分割される分割構造を有するとともに、可撓性を有する連結部材により前記内翼部と前記外翼部とが連結されることを特徴とする。
【０００９】
請求項１に記載の発明によれば、ブレードは、長さ方向略中央部において翼根側の内翼部と翼端側の外翼部とに分割される分割構造を有するので、輸送時においてはブレードの長さを約半分にすることができる。従って、輸送性を大幅に向上させることができる。
【００１０】
また、請求項１に記載の発明によれば、内翼部と外翼部とが連結部材により連結され、この連結部材は可撓性を有するので、内翼部に対する外翼部の回動が可能となる。従って、ブレードに作用する変動荷重の一部ないし全部を、この外翼部の回動（連結部材の撓み）によって吸収することができるので、ブレードの翼根部に伝達される変動荷重を軽減することができる。この結果、ブレードの設計荷重を軽減することができ、ブレードの軽量化や低コスト化を実現させることができる。
【００１１】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の水平軸風車のブレードにおいて、前記連結部材は、ブレードの翼弦方向の寸法よりも厚さ方向の寸法が短い矩形状断面を有する薄板状体とされ、ブレードの長さ方向及び翼弦方向に延在するように配置されることを特徴とする。
【００１２】
請求項２に記載の発明によれば、連結部材は、ブレードの翼弦方向の寸法よりも厚さ方向の寸法が短い矩形状断面を有する薄板状体とされ、ブレードの長さ方向及び略翼弦方向に延在するように配置されており、フラッピング方向に可撓性を有するような構成とされている。従って、内翼部に対する外翼部のフラッピング方向の回動が可能となるため、風の変動により内翼部に加えられる変動荷重を軽減することができる。
【００１３】
請求項３に記載の発明は、請求項１又は２に記載の水平軸風車のブレードにおいて、前記連結部材は、炭素繊維強化樹脂又はガラス繊維強化樹脂で構成されることを特徴とする。
【００１４】
請求項３に記載の発明によれば、連結部材は、軽量であるとともに高い強度及び高い弾性率を有する炭素繊維強化樹脂又はガラス繊維強化樹脂で構成されているので、ブレードに作用する変動荷重を効果的に吸収することができる上に、ブレードの軽量化を達成することができる。
【００１５】
請求項４に記載の発明は、請求項１から３の何れか一項に記載の水平軸風車のブレードにおいて、前記内翼部と前記外翼部との連結部を外側から被覆する被覆部材が設けられることを特徴とする。
【００１６】
請求項４に記載の発明によれば、ブレードの内翼部と外翼部との連結部を外側から被覆する被覆部材が設けられるので、この連結部における空力特性を向上させることができる。従って、風車運転時においてブレードに作用する抗力の増加を抑制するとともに、ブレードによって発生する揚力の低下を抑制することができる。この結果、風車の出力の低下を抑制することができる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明によれば、ブレードは、長さ方向略中央部において翼根側の内翼部と翼端側の外翼部とに分割される分割構造を有し、輸送時においてはブレードの長さを約半分にすることができるので、輸送性を大幅に向上させることができる。また、ブレードの内翼部と外翼部とが、可撓性を有する連結部材により連結されるので、ブレードに作用する変動荷重を大幅に軽減することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１８】
以下、本発明の実施の形態を、図を用いて詳細に説明する。本実施の形態に係るブレードは、大型の水平軸風車１に搭載される長さ約４０ｍの長大ブレードである。
【００１９】
まず、図１を用いて、本実施の形態に係るブレードが搭載される水平軸風車１の構成について説明する。
【００２０】
水平軸風車１は、図１（風上側から見た図）に示すように、所定の地点に設置されるタワー２、タワー２の頂部に略水平面内で回動自在に取り付けられたナセル３、ナセル３に略水平方向に延在して軸支された（図示されていない）主軸、この主軸に取り付けられるロータ４、等を備えて構成されており、ロータ４は、本実施の形態に係るブレード１０を３枚備えている。
【００２１】
次に、図１〜図３を用いて、本実施の形態に係るブレード１０の構成について説明する。
【００２２】
ブレード１０は、図２に示すように、複合材製の外皮１１と、この外皮１１の内側に配置される複合材製の主桁１２と、を備えて構成されている。外皮１１は、背側外皮１１ａと腹側外皮１１ｂとからなり、組み合わせられて翼形状を構成するものである。外皮１１や主桁１２は、ハンドレイアップ法（湿式積層法）、ＲＴＭ（Resin Transfer Molding）法、ＶＡＲＴＭ（Vacuum Assist ＲＴＭ）法等を採用して成形することができる。
【００２３】
また、ブレード１０は、図１及び図２に示すように、長さ方向略中央部において翼根側の内翼部１３と翼端側の外翼部１４とに分割される分割構造を有している。そして、内翼部１３及び外翼部１４の分割部近傍の内部には、図２に示すようにリブ１３ａ、１４ａが各々設けられている。リブ１３ａ、１４ａのブレード厚さ方向両端部は背側外皮１１ａ及び腹側外皮１１ｂに接着されており、リブ１３ａ、１４ａのブレード厚さ方向中間部は桁１２、１２の先細部分に接着されている（図２参照）。
【００２４】
また、ブレード１０は、図２に示すように、内翼部１３と外翼部１４とを連結する連結部材１５を有している。連結部材１５は、ブレード１０の翼弦方向の寸法よりも厚さ方向の寸法が短い矩形状断面を有する複合材製の薄板状体であり、ブレード１０の長さ方向及び翼弦方向に延在するように配置される。このため、連結部材１５は、フラッピング方向（図２の矢印Ｆ1及び矢印Ｆ2の方向）に撓み易い特性（可撓性）を有することとなる。そして、図２に示すように、連結部材１５の一方の端部は内翼部１３のリブ１３ａにボルト及び接着により結合され、他方の端部は外翼部１４のリブ１４ａに接着される。
【００２５】
連結部材１５は、外皮１１や主桁１２と同様に、ハンドレイアップ法やＲＴＭ法等を採用して、繊維織物の積層体に樹脂を含浸させ硬化させて成形することができる。連結部材１５を構成する樹脂としては、外皮１１や主桁１２を構成する樹脂と同一のもの（例えばエポキシ樹脂）を採用することができる。
【００２６】
なお、本実施の形態においては、連結部材１５のブレード長さ方向における寸法を、ブレード１０の長さの２．５％〜５％程度に設定している。また、軽量であるとともに高い強度及び高い弾性率を有する複合材（例えば炭素繊維強化樹脂やガラス繊維強化樹脂）で連結部材１５を成形すると、ブレード１０に作用する変動荷重を効果的に吸収することができる上に、ブレード１０の軽量化を達成することができるので好ましい。
【００２７】
また、ブレード１０には、図１及び図２に示すように、内翼部１３と外翼部１４との連結部を外側から被覆するフェアリング１６が設けられている。フェアリング１６は、本発明における被覆部材であり、伸縮自在なゴム材料で構成されている。
【００２８】
以上説明した実施の形態に係るブレード１０は、長さ方向略中央部において翼根側の内翼部１３と翼端側の外翼部１４とに分割される分割構造を有している。従って、ブレード１０の輸送時においては、ブレード長を約半分（約２０ｍ）にすることができる。このため、例えば「長さ２０ｍ」の輸送制限が設けられている経路を使用して、「長さ約４０ｍ」のブレード１０を輸送することができる。
【００２９】
この結果、従来の非分割型ブレードを用いた場合に最大５００ｋＷ級（ブレード長約２０ｍ）の定格出力を有する水平軸風車が建設されるような条件下においても、本実施の形態に係るブレード１０を用いることにより、最大２０００ｋＷ級（ブレード長約４０ｍ）の定格出力を有する水平軸風車１を建設することができる（図３参照）。
【００３０】
また、以上説明した実施の形態に係るブレード１０においては、内翼部１３と外翼部１４とが連結部材１５により連結され、この連結部材１５はフラッピング方向（図２の矢印Ｆ1及び矢印Ｆ2の方向）に撓み易いので、内翼部１３に対する外翼部１４のフラッピング方向の回動が可能となる。従って、ブレード１０に作用する変動荷重の一部ないし全部を、この外翼部１３の回動（連結部材１５の撓み）によって吸収することができる。
【００３１】
例えば、外翼部１４に強風が急に吹き付けて風上側から風下側へ荷重が作用した場合には、連結部材１５が撓んで外翼部１４が内翼部１３に対して腹側（図２の矢印Ｆ2の方向）に回動し、外翼部１４に作用した荷重が内翼部１３に急激に伝達されるのを阻止することができる。逆に、外翼部１４に吹き付ける風が弱まって一時的に風下側から風上側へ荷重が作用した場合には、連結部材１５が逆方向に撓んで外翼部１４が内翼部１３に対して背側（図２の矢印Ｆ1方向）に回動し、外翼部１４に作用した荷重が内翼部１３に急激に伝達されるのを阻止することができる。
【００３２】
従って、本実施の形態に係るブレード１０を用いると、図４のグラフに示すように、従来の非分割型ブレードを用いた場合と比較して、ブレード１０の翼根部に作用する曲げ荷重（変動荷重）の標準偏差を約３０％程度軽減することができる。この結果、ブレード１０の設計荷重を軽減することができるので、より軽量で低コストのブレード１０及び水平軸風車１を得ることができる。
【００３３】
また、以上説明した実施の形態に係るブレード１０には、内翼部１３と外翼部１４との連結部を外側から被覆するフェアリング１６が設けられるので、この連結部における空力特性を向上させることができる。従って、風車運転時においてブレード１０に作用する抗力の増加を抑制するとともに、ブレード１０によって発生する揚力の低下を抑制することができる。この結果、水平軸風車１の出力の低下を抑制することができる。
【００３４】
なお、以上の実施の形態においては、連結部材１５として、ブレード１０の翼弦方向の寸法よりも厚さ方向の寸法が短い「矩形状断面」を有する薄板状体を採用し、これをブレード１０の長さ方向及び略翼弦方向に延在するように配置した例を示したが、フラッピング方向に撓み易い特性（可撓性）を有するような他の構成を採用することもできる。例えば、ブレード１０の翼弦方向の寸法よりも厚さ方向の寸法が短い「略長円形状断面」を有する薄板状体（又は筒体）の連結部材を採用し、これをブレード１０の長さ方向及び略翼弦方向に延在するように配置することもできる。
【００３５】
また、以上の実施の形態においては、図２に示すように、連結部材１５の一方の端部を内翼部１３のリブ１３ａにボルト結合し、連結部材１５の他方の端部を外翼部１４のリブ１４ａに接着した例を示したが、連結部材１５の両端部をリブ１３ａ、１４ａにボルト結合してもよい。また、連結部材１５の両端部をリブ１３ａ、１４ａに接着することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００３６】
【図１】本発明の実施の形態に係るブレードを搭載した水平軸風車の正面図である。
【図２】本発明の実施の形態に係るブレードの断面図（図１のII−II部分の断面図）である。
【図３】水平軸風車のロータ半径（ブレード長）と定格出力との相関関係を示すグラフである。
【図４】従来の非分割型ブレードに作用する変動荷重と、本発明の実施の形態に係るブレードに作用する変動荷重と、を比較するためのグラフである。
【符号の説明】
【００３７】
１      水平軸風車
１０      ブレード
１３      内翼部
１４      外翼部
１５      連結部材
１６      フェアリング（被覆部材）
【図１】
2005147080.tif 000003
【図２】
2005147080.tif 000004
【図３】
2005147080.tif 000005
【図４】
2005147080.tif 000006